专利名称：热回收蒸汽发生器的制作方法
背景技术：
本发明涉及热回收蒸汽发生器并特别涉及它们的水流动回路。热回收蒸汽发生器用于回收燃气轮机或类似动力源的废气流中所包含的热并将水转变为蒸汽。为了优化设备的总效率，它们包括一个或多个在选定的压力下操作的蒸汽发生回路。
锅炉基本上有三种类型，如按照水在汽化器管道中的流动型式进行分类。它们是自然循环式、强制循环式和直流式。前两种设计通常装备有水/蒸汽锅筒，在锅筒中进行水与蒸汽的分离。在这样的设计中，各个汽化器由相应的锅筒通过下水管和入口联管箱供水。输入回路的水回收来自燃气轮机废气的热并且转变成水/蒸汽混合物。汇集该混合物并将其排入锅筒。在自然循环式的设计中，水/蒸汽混合物在回路中的循环借助热虹吸效应得以确保。汽化器回路中的需要流量要求一最小的循环速率，该最小循环速率取决于操作压力和原地的热通量。在强制循环式锅炉的设计中采用了一种类似的方法。主要的不同是在管道和管道系统的尺寸以及循环泵的采用方面，其中循环泵为克服系统中的压力降提供了所需要的驱动力。
在自然循环式和强制循环式的设计中，循环速率、且从而汽化回路内的质量速度都高到足以保证汽化只发生在成泡沸腾域。这样的沸腾在近似恒压(恒温)下发生，其特征是在管道内部具有高传热系数以及在管道内表面的连续不断的湿润。这两个因素导致需要较少的汽化表面和合乎要求的围绕管道周边的等温管壁状态。此外，由于管道内表面被湿润，使得在水汽化过程中可能发生的水解盐之沉积现象减至最少。虽然降低了汽化器的成本，但总循环系统的成本是高的，因为需要有这些部件如锅筒、下水管、循环泵、各种各样的阀和管道系统以及相关结构上的支承钢件。
第三种类型的锅炉是直流式蒸汽发生器。这些设计并不包括锅筒并且它们的小尺寸运行系统比强制循环式或自然循环式设计中的那些循环部件便宜。在正常操作过程中水在设备内部不可能再循环。可在设备中安装软化器以便排除水中的水解盐。在基本的形式中，直流式蒸汽发生器只是一段用来泵送水的管道。当热被吸收时，流过管道的水被转变为蒸汽并被过热到所要求的温度。其沸腾不是恒压过程(饱和温度不是常数)，并且该设计导致较低的对数平均温度差或对数温度差，该温度差代表热气与水和/或蒸汽之间的有效温度差。此外，由于流体的完全干涸是不可避免的，在直流式设计中管内部的传热系数在蒸汽的质量达到临界值时变低了。管内壁不再受湿润并且薄层沸腾的数值仅仅是成泡沸腾的传热系数的一小部分。因此，较低的对数温度差和较低的内侧管传热系数导致需要更大量的汽化器表面。
在直流式蒸汽发生器的设计中存在必须考虑的许多因素。最重要的一个是汽化器的质量速度。它应该大到足以加速汽化器管道内的成泡沸腾，并因此尽可能减少汽化器表面。可惜，为达到高的内侧的管传热系数所需要的速度导致显著的流体压力降。该压力降的后果是增加了给水泵的动力消耗且提高了沿沸腾路线的饱和温度。工作流体饱和温度的提高导致在气体方面与工作流体之间降低的对数平均温度差(LMTD)。降低的LMTD更加偏离使传热表面增加的成泡沸腾的高传热系数。降低质量速度的能力受限于薄层沸腾的低传热系数和产生间断流动域的可能性，后者的特征是分层的和波状的流动模式。这两种流动模式从增加的压力损失、降低的热传导和围绕管道周边的高非等温性的可能性的观点来说都是不希望有的。
发明概述本发明涉及热回收蒸汽发生器并具体涉及为了设备的总效率而改进的水流动回路。本发明涉及具有内螺旋式管道汽化器的直流式热回收蒸汽发生器。更确切地说，本发明既包括低压回路又包括高压回路，两者都是为直流设计的并且都包括具有内螺旋式管道的汽化器。此外，在汽化器与过热器之间可以设置一压力平衡联管箱并且为了流动稳定性可以在汽化器的入口处设置节流孔。
附图简述
图1为一种卧式热回收蒸汽发生器的总体透视图，图2为示意的流程图，说明本发明的蒸汽发生器的流动回路，图3为类似于图1的示意流程图，但表示另一实施方案。
优选实施方案描述图1为一种常用的热回收蒸汽发生器的透视图，总体用10表示。该特定设备属于卧式但本发明可同样适用于具有立式气流的设备。这样的热回收蒸汽发生器的一个应用实例是用于燃气轮机的排气，该排气具有在425至540℃(约800至1000°F)范围内的温度并包含相当大的待回收的热量。产生的蒸汽则可用于驱动配备有一汽轮机的发电机或可以用作此工艺中的蒸汽。
热回收蒸汽发生器10包括一扩张的入口过渡管道12，在过渡管道12中气流从入口管道被扩张到包含传热表面的全截面。传热表面包括各排管道14、16、18、20和22，它们可以例如分别包括低压预热管、低压汽化器、高压预热管、高压汽化器和高压过热器。图1中还示出了废气烟囱26。本发明涉及这种热交换表面的配置和工况。
图2示意地表示用于本发明的一个实施方案的热交换表面的配置。以给水开始，低压给水28被输入汇集/分配联管箱30而高压给水32被输入汇集/分配联管箱34。低压给水然后由联管箱30输入用回路36表示的低压预热管道，而高压给水由联管箱34输入用回路38表示的高压预热管道。经部分加热的低压水流从低压预热管道36被汇集到联管箱40内而经部分加热的高压水流从高压预热管道38被汇集到联管箱42内。
部分加热的低压水流由联管箱40通过管路44输入汇集/分配联管箱46，然后流过低压汽化器50，在汽化器50中汽化成蒸汽。在低压汽化器50中的水流方向可以是水平的或者向上的。蒸汽、很可能是饱和的蒸汽被汇集到联管箱52中并在管道54处作为低压蒸汽排出。如图中所示，该低压回路为直流式回路。本发明的这种低压汽化器由将在下文说明的内螺旋式管道构成。
现在转向高压直流式回路，经部分加热的高压水流60由汇集联管箱42连续通过第二高压预热管道62、高压汽化器64而输入高压过热器66。高压汽化器中的流向可以是向上的、水平的或者向下的。总体用68表示的节流孔设置在汽化器管道64之每一管道的入口中以使流动稳定。在汽化器64与高压过热器66之间的中间的联管箱70改善了稳定性并使节流孔的压力降减至最小。该中间的联管箱70平衡了高压汽化器64的各管道之间的压力损失，并使过热器66中的任何流动或热干扰对汽化器64的影响减至最小。过热的蒸汽然后被汇集到联管箱72内并由其排出。如可看到的，该高压回路从高压给水32直到出口联管箱72都是直流式回路。如同在低压回路中的汽化器50，高压回路中的汽化器64也是由内螺旋式管道构成的。
在本发明中，汽化器中的内螺旋式管道可降低成本，因为这时可采用常规的材料并可减小质量流量。内螺旋式管道产生附加的紊流并且延迟了管内壁开始干燥的时刻。内螺旋凹道与用光滑孔的管道相比在较低的质量流量下就可产生成泡沸腾。内螺旋式管道的好处远不只是成泡沸腾。在薄层沸腾域中增加的紊流所引起的传热特性比在用光滑孔的管道中所观测到的要好得多。这意味着汽化器在这时是可以较小的。内螺旋式管道的好处适用于超临界的设计以及亚临界的设计，并且在汽化器内的水流方向可以是向上的或向下的。为了流动稳定性，可在汽化器入口设置节流孔。在汽化器与过热器之间设置一中间的联管箱以改善稳定性并使节流孔的压力降减至最小。该联管箱平衡各汽化器管道之间的压力损失并使过热器或汽化器中的任何流动或热干扰的影响减至最小。
图3为本发明的一种变型，它包括一个在运行过程中使用的分离器74。在运行的状态下，汽化器64产生饱和的蒸汽，汽化器的输出从压力平衡联管箱70进入分离器74，在分离器74中从饱和的蒸汽78中分离出液态水76。无水蒸汽78然后进入联管箱80并且通过过热器66。在直流式操作过程中，分离器用作混合联管箱。
如可看到的，本发明是一种热回收蒸汽发生器，它体现以以下新的部件为特征的直流式设计1．一内螺旋式管道汽化器，它使得操作可以在低流体速度下进行。其产生的高传热系数降低了对传热表面的需求。此外，在整个负荷范围内围绕管壁的周边保持等温状态。等温状态使管道中的所连接外部叶片中的应力减至最小，并且在管道内表面上保持了保护性的磁铁层。
2．一设置在汽化器与过热器部件之间的压力平衡联管箱使气体方面的失衡对流动稳定性的影响减至最小。该联管箱降低了流动稳定性条件所需要的入口节流孔压力损失的要求。
权利要求
1．一种热回收蒸汽发生器，其中热量从与蒸汽发生回路热交换接触的热气流中回收，该蒸汽发生回路包括下列部分的组合a．一个在第一压力下操作的直流式回路，它包括一低压预热器部件和一用于产生低压蒸汽输出的低压汽化器部件，其中该低压预热器具有多个平行的管道并且该低压汽化器部件的各平行的管道是内螺旋式的，以及b．一个在高于所述第一压力的第二压力下操作的直流式回路，它包括一具有多个平行管道的高压预热器部件、一具有多个平行管道的高压汽化器部件和一用于产生高压蒸汽输出、具有多个平行管道的高压过热器部件，其中该高压汽化器部件的各平行的管道是内螺旋式的。
2．如权利要求1所述的热回收蒸汽发生器，其特征在于，所述高压直流式回路包括一个在各所述高压汽化部件管道与各高压过热器部件管道之间的压力平衡联管箱。
3．如权利要求1所述的热回收蒸汽发生器，其特征在于，所述高压直流式回路包括设置在所述高压汽化器部件的各个管道入口处的使流动稳定的节流孔。
全文摘要
用于回收蒸汽发生器(10)的水流动回路,包括一低压回路(36)和一高压回路(38)。两回路(36、38)都是为直流设计的并且都包括具有内螺旋式管道的汽化器(50、64)。在汽化器(64)与过热器(66)之间可以设置一压力平衡联管箱(70)并且为了流动稳定性可以在汽化器(64)的入口处设置节流孔(68)。
文档编号F22B1/00GK1295660SQ99804598
公开日2001年5月16日 申请日期1999年2月23日 优先权日1998年4月3日
发明者M·帕尔克斯, R·E·瓦雅斯兹 申请人:Abb阿尔斯托姆能源公司